一次沙塵暴過程中的地面感熱通量分析

袁國波，李玫潔

(包頭市氣象局，內蒙古包頭 014030)

沙塵暴的形成需要三個基本條件，即沙源條件、不穩定層結條件和地面大風條件[1-2]。在沙源充足的地區，若低層大氣層結不穩定，受到擾動后就會形成上升運動，從而把沙塵卷揚到空中。有研究指出，源于內蒙古中西部沙塵的傳輸高度在近地面層附近(900 hPa以下)[3]。因此，與發生在整個對流層中的降水天氣不同，沙塵暴主要發生在行星邊界層中，不需要貫穿整個對流層的上升氣流；只要上升氣流把沙塵卷揚到一定高度，就可能形成沙塵暴。

在內蒙古中西部的冬春季節，由于地表裸露，地面熱容量小，當太陽輻射較為強烈時，地表升溫很快并加熱近地層大氣，容易形成熱對流。這種熱對流的形成與地面的熱狀態有著密切聯系。地面的熱狀態可以用地面熱通量來描述。地面熱通量包括感熱通量和潛熱通量。根據計算，在我國北方沙塵暴過程中，潛熱通量僅相當于感熱通量的1/20，因此感熱通量起著決定性作用[4]。關于地面熱狀態與沙塵暴的關系,已經有一些研究成果，涉及地表熱通量、輻射強迫、地溫場、地面加熱等諸多方面[5-9]。其中孫軍等[5]通過數值模擬方式分析了地面熱通量對沙塵暴的影響，王勁松等[8]利用NCEP資料對中國典型沙塵暴過程中的地面感熱加熱和潛熱加熱的分布特征進行了分析，姜學恭等[9]則模擬了地面加熱在沙塵暴過程中的作用。目前，對于地面感熱通量在沙塵暴過程中的作用，多是利用再分析資料或數值模擬方法來分析，而利用實測資料來研究沙塵暴過程中地面感熱通量變化特征的文獻尚不多見。本文參考以上研究成果，從實際觀測數據出發，對一次沙塵暴過程中的地面感熱通量進行分析，以期揭示地面感熱通量與沙塵暴之間的關系。

1 資料與方法

1.1 資料來源

所用的數據為2016年3月3—5日內蒙古各氣象觀測站的實測數據，包括水平能見度、地面風速、地表面溫度和地面氣溫，時間間隔為1 h。這些數據均來自MICAPS。

1.2 沙塵暴的確定

根據國家標準(GB/T 20480—2006)，當強風將地面塵沙吹起，使某個測站空氣十分混濁，水平能見度≤1 km時，即認為該測站出現了沙塵暴；當水平能見度≤500 m時，稱為強沙塵暴；當水平能見度≤50 m時稱為特強沙塵暴。

1.3 研究方法

根據李彰俊等的研究，某個測站的地面感熱通量可用下式計算[4]：

F=1.72v(Tw-Ta)

其中F為地面感熱通量(單位為W/m2)，v為地面風速(單位為m/s)，Tw為地表溫度(單位為℃)，Ta為地面氣溫(單位為℃)。

利用實測數據計算出地面感熱通量，繪制水平能見度與地面感熱通量的逐小時變化曲線，分析地面感熱通量在沙塵暴發生前、中、后各階段的變化特征。考慮到地面感熱通量的日變化，選取3個測站進行研究，這3個測站出現沙塵暴的時段分別在夜間、上午和下午。

2 天氣過程概述

2016年3月3—5日,我國北方地區出現了一次大范圍的沙塵暴天氣，影響范圍波及新疆、甘肅、內蒙古、寧夏、陜西、山西、吉林和黑龍江，強沙塵暴主要出現在在內蒙古中西部沿國境線一帶。在內蒙古，有76個氣象站先后出現了沙塵暴，其它大部分測站也出現了揚沙或浮塵天氣，最低水平能見度為0 km(表1)。沙塵暴于3月3日18時進入內蒙古，并于3月5日11時結束。

表1 2016-03-03—05內蒙古部分測站最小水平能見度

3 地面感熱通量變化特征

在內蒙古中西部沿國境線選取3個測站，從西到東依次為拐子湖(52378)、滿都拉(53149)、二連浩特(53068)。下面分別對這3個測站的地面感熱通量在沙塵暴過程中的變化情況進行分析。

3.1 拐子湖

拐子湖出現沙塵暴的時間是2016年3月3 日傍晚至4日凌晨，即主要出現時段在夜間。具體時間是3月3日18時至4日03時，最強時段為3日23時至4日02時，最小能見度0.5 km。圖1是2016年3月3日08時至5日08時拐子湖地面感熱通量及水平能見度的逐小時變化曲線(為了突出反映沙塵暴發生階段地面感熱通量的變化情況，也為了方便作圖，當水平能見度超過2 km時一律取為2 km；當地面感熱通量超過±100 W/m2時一律取為±100 W/m2，下同)。

從圖1可以看出，不論是3日08時至4日08時，還是4日08時至5日08時，地面感熱通量的日變化曲線都呈現一波型，波峰出現在白天(4日13—16時)，波谷出現在夜間(5日03時—07時)，且波峰的振幅比波谷的振幅大得多。白天，在有光照的時段(4日09—18時)，地面感熱通量為正值，即地面凈得到熱量。夜間，在沒有沙塵暴的情況下(4日04—08時及4日19時—5日08時)，地面感熱通量為負值，即地面凈失去熱量；在發生沙塵暴的時段內(3日20時—4日03時)，地面感熱通量為正值。這一方面表明熱的下墊面有利于沙塵暴的加強；另一方面也表明沙塵暴對地面輻射具有遮擋作用，減弱了地面熱量的損失，使其保持比通常情況下更熱的狀態，加熱近地面層的空氣，從而更有利于沙塵暴自身的發展，這可以稱為沙塵暴的正反饋作用。

圖1 2016-03-03T08—05T08內蒙古拐子湖站地面感熱通量及水平能見度

3.2 滿都拉

滿都拉出現沙塵暴的時間是2016年3月4 日早晨至午后，即主要出現時段在上午。具體時間為3月4日06—16時，最強時段為10—13時，最小能見度為0.4 km。圖2是2016年3月3日08時至5日08時滿都拉地面感熱通量及水平能見度的逐小時變化曲線。

圖2 2016-03-03T08—05T08內蒙古滿都拉站地面感熱通量及水平能見度

從圖2可以看出，地面感熱通量的日變化曲線呈現一波型，白天為正值，夜間為負值。這與通常情況下地面接收的太陽輻射的日變化具有相當的一致性。白天，在有光照時段(3日09—18時及4日09—18時)，地面感熱通量均為正值，即地面凈得到熱量；在沙塵暴發生時段(4日09—16時)內，地面感熱通量雖然是正值，但其量值比拐子湖的要小得多。這說明沙塵暴阻礙了地面獲得太陽輻射能，使得地面溫度比通常狀況下要低一些，加熱近地層空氣的能力降低。不利于沙塵暴自身的發展，可以稱之為沙塵暴的負反饋作用。夜間，在沒有沙塵暴的情況下，地面感熱通量是負值，地面凈失去熱量，這與拐子湖的地面感熱通量變化特征一致。

3.3 二連浩特

二連浩特出現沙塵暴的時間是2016年3月4 日午前至傍晚，即主要出現時段在下午。具體時間是3月4日09—21時，最強時段為14—20時，最小能見度為0 km。圖3是2016年3月3日08時—5日08時二連浩特地面感熱通量及水平能見度的逐小時變化曲線。

圖3 2016-03-03T08—05T08內蒙古二連浩特站地面感熱通量及水平能見度

從圖3可以看出，地面感熱通量的日變化曲線也呈現波型，白天為正值，夜間為負值，但其波動的振幅比拐子湖和滿都拉小得多。白天，在強沙塵暴發生時段(4日14—20時)，地面感熱通量被顯著消弱，雖然是正值，但其數值變化較小，平均不足30 W/m2。這說明沙塵暴強度越強，其對地面獲得太陽輻射能的阻礙作用越強。

4 小結

通過以上分析可以看到，在此次沙塵暴過程中，地面感熱通量的變化具有以下特征。

(1)地面感熱通量的日變化曲線呈現一波型，波峰出現在白天太陽輻射最強時段，波谷出現在夜間地面輻射最強時段，且波峰的振幅比波谷的振幅大得多。

(2)在沒有沙塵暴影響的情況下，白天地面感熱通量是正值，即地面凈得到熱量；夜間地面感熱通量是負值，即地面凈失去熱量。

(3)發生在夜間的沙塵暴具有正反饋作用，阻礙地面輻射，減弱地面熱量的損失，致使地面感熱通量大于零；發生在白天的沙塵暴具有負反饋作用，阻礙太陽輻射，顯著消弱地面感熱通量。